DE3937562A1 - Austreibungsvorrichtung fuer zerstaeubbare substanzen aus druckbehaeltern - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zum Austreiben zerstäub­ barer Substanzen aus Druckbehältern und geht aus von einer Vorrichtung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Sowohl für industrielle und gewerbliche Zwecke als auch den privaten Gebrauch sind die unterschiedlichsten Zerstäubungs­ vorrichtungen im Einsatz. Die gebräuchlichen mechanisch be­ triebenen Systeme haben zwar den Vorteil, ohne Treibmittel zu arbeiten, beinhalten jedoch den Nachteil, daß nur kurze Druckstöße möglich sind, der Sprühdruck zudem gering ist und nicht konstant gehalten werden kann. Hierdurch wird die Reproduzierbarkeit der Aerosolgüte beeinflußt, weshalb diese rein mechanische Lösung auch zumeist nur bei Sprühdosen oder -flaschen für den privaten Gebrauch anzutreffen ist.

Die Austreibung von Flüssigkeiten mit Hilfe von Treibgasen unter Druck aus einem Behälter hat demgegenüber zwar den Vor­ teil, daß infolge des bei vorgegebener Temperatur konstanten Partialdrucks der Treibmittel ein kontinuierlicher und aus­ reichender Sprühdruck erzielt wird, jedoch sind die bislang verwendeten Treibgase umweltschädlich. So versucht man, die noch häufig eingesetzten Fluorkohlenwasserstoffe (FCKW), die als Ursache für die Schädigung der Ozonschicht angesehen werden, zu ersetzen, und verwendet zunehmend weniger schädliche teilhalogenierte Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (H-FCKW 22). Hierdurch kann zwar die Schädigung der Ozonschicht reduziert, jedoch nicht vollständig ausge­ schlossen werden. Dies ist um so mehr der Fall, weil die gebräuchlichen Treibgase so ausgelegt werden, daß sie bei den gegebenen Betriebsbedingungen in zwei Phasen, flüssig und gasförmig, vorliegen. Infolgedessen bildet die flüssige Phase des Treibmittels eine Lösung mit den zu zerstäubenden Substanzen, so daß ein großer Teil des Treibmittels beim Zerstäuben mit ausgetrieben wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1, eine Vorrich­ tung zum Austreiben einer zerstäubbaren Substanz aus einem Druckbehälter anzugeben, die einerseits einen konstanten und ausreichend hohen Treibgasdruck während der gesamten Einsatz­ dauer gewährleistet und andererseits die erwähnten schädlichen Treibmittel vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß werden die bekannten, zumeist verflüssigten Treibgase durch Wasserstoff ersetzt, der in einem Hydridmaterial gespeichert ist und aus diesem bei Zufuhr von Energie, vorzugsweise in Form von Umgebungswärme, wieder freigesetzt wird. Der freigesetzte Wasserstoff wird als Treibmittel zum Austreiben zerstäubbarer Substanzen, Flüssigkeiten oder auch z. B. pulverisierter Substanzen, aus einem Behälter verwendet, in dem der freigesetzte Wasserstoff einen Überdruck (bei Normalbedingungen der Umgebung über 1 bar) erzeugt. Der erzeugte Überdruck ist bei vorgegebener Temperatur konstant, denn der in einem Hydrid gespeicherte Wasserstoff erzeugt über einen weiten Hydrierungsbereich bei konstanter Temperatur einen bestimmten konstanten Partialdruck. Wenn die Zerstäubungsöffnung des Druckbehälters freigegeben wird und damit eine Druckentlastung im Druckbehälter auftritt, entweicht fortgesetzt solange Wasserstoff aus dem Hydridmaterial und treibt die Sprüh­ substanz aus, bis die Öffnung wieder geschlossen ist und der Gleichgewichtspartialdruck des Wasserstoffs im Hydridmaterial vorliegt. Somit ist eine kontinuierliche und vollständige Entleerung bei ausreichendem Sprühdruck gewährleistet. Treibmittel (Edelgase, Luft), die bei den gegebenen Be­ triebsbedingungen nicht verflüssigbar sind, können dies nicht und sind aus diesem Grund als Treibmittel unzweckmäßig.

Grundsätzlich eignen sich alle Arten von Hydriden, die bei der Temperatur der jeweiligen Umgebung, in der der Substanzbehälter einzusetzen ist, die Eigenschaft haben, den gespeicherten Wasserstoff wieder abzugeben. Insbesondere in kalten Umgebungen ist es darüber hinaus möglich, diesen Vorgang durch Wärmezufuhr, beispielsweise über die Handwärme des Benutzers der Vorrichtung auszulösen oder zu verstärken.

Unabhängig davon, ob das Hydridmaterial mit der zu zerstäubenden Substanz im Druckbehälter gemischt vorliegt oder in einem Speicherbehälter aufgenommen ist und das Druckbehälterinnere durch den abgegebenen Wasserstoff mit Druck beaufschlagt, besteht erfindungsgemäß der Vorteil, daß der Wasserstoff als Treibmittel unschädlich für die Ozonschicht ist, da er einen natürlichen Bestandteil der Erdatmosphäre mit durchschnittlich 0,03 g Wasserstoff pro Tonne Luft darstellt, wobei er in den unteren Atmosphärenschichten nur spurenweise vorkommt und in den oberen Schichten den Hauptbestandteil bildet.

Die Möglichkeit der Mischung mit der zu zerstäubenden Substanz bietet sich bei organischen Hydriden an, die bei bestimmten Temperaturen stets den gleichen Partialdruck erzeugen. Daneben eignen sich für den erfindungsgemäßen Zweck insbesondere Metallhydride, deren wasserstoffspeichernde Eigenschaft bereits bei der Entwicklung von Wasserstoff­ speichern für H₂-getriebene Kraftfahrzeuge ausgenutzt wird. Die bisher für diesen Zweck oder auch z. B. für Brennstoffzel­ len vorgeschlagenen Legierungen (Titan-Eisen, Titan-Mangan, Nickel-Mischmetall, Calcium-Nickel oder z. B. Legierungen mit Vanadium) weisen eine hohe Speicherkapazität für Wasserstoff auf und arbeiten in einem weiten Temperatur- und Druckbe­ reich. Der Wasserstoff wird in hohen Konzentrationen in einem kleinen Volumen gespeichert und unter konstantem Druck bis zur Entladung wieder abgegeben.

Die Wasserstoffaufnahme ist weitgehend reversibel, d.h. durch Druckverminderung bei gegebener Temperatur oder Temperaturer­ höhung bei gegebenem Druck wird der Wasserstoff wieder abge­ geben. Der Gleichgewichtspartialdruck des in einem Metallhydrid eingelagerten Wasserstoffs ist folglich von der Temperatur des Metallhydrids abhängig. Bei Raumtemperatur (20 bis 25°C) weisen einige bekannte Metallhydride, z. B. Titan-Eisenlegierungen, Wasserstoffpartialdrücke von 3 bis 5 bar auf und sind somit gut geeignet als Wasserstoffspeicher für Zerstäubungsvorrichtungen.

Vorzugsweise werden die pulverförmigen Metallhydride oder ge­ gebenenfalls auch nicht metallartigen Hydride in einem Hydridbehälter aufgenommen, der wahlweise in den Druckbe­ hälter, d. h. die Sprühdose oder -flasche integriert wird oder außen an dieser angeschlossen wird. Damit besteht im Gegensatz zu den bisher verwendeten Treibmitteln die Möglich­ keit, das Treibmittel und den Treibmittelspeicher vom Behälter abzukapseln, wodurch die Sicherheit erhöht wird. Hierzu empfiehlt sich die druckmäßige Kopplung der beiden Behälter über ein Ventil, das sich bei plötzlicher Erwärmung und damit verbundenem Druckanstieg im Hydridspeicherbehälter schließt und so verhindert, daß der Druck im Druckbehälter weiter ansteigt und diesen zerstört. Der Hydridbehälter, der nur wenige cm³ Fassungsvermögen benötigt, kann leicht so stabil ausgelegt werden, das er auch erhebliche Drucksteigerungen und Drücke, die weit über dem Sprühdruck liegen, aushält, und somit ein sicherer Einschluß des Wasserstoffs gewährleistet ist.

Im Gegensatz zu den Systemen mit herkömmlichen Treibmitteln, die eine sichere Handhabung nur bis zu relativ geringen Tem­ peraturen gewährleisten, ermöglicht demnach die Erfindung durch die Verwendung des leicht vom Überdruckbehälters trenn­ baren Wasserstoffspeichers nicht nur eine umweltfreundliche, sondern darüber hinaus auch sichere Vorrichtung.

Soll der Wasserstoff nicht mit der Sprühsubstanz in Berüh­ rung kommen, so kann auch eine indirekte Druckbeaufschla­ gung mit Hilfe eines Doppelbehälters erfolgen, wie er im Prinzip auch schon für bisherige Treibmittel vorgeschlagen wurde. Dabei wird die zu zerstäubende Substanz in einem komprimierbaren tüten- oder z. B. faltbalgartigen Behältnis aufgenommen, das sich im eigentlichen Druckbehälter befin­ det. Dieser wird erfindungsgemäß vorzugsweise über ein Ventil mit Wasserstoffdruck beaufschlagt, so daß bei Öffnung der Sprühdüse die Sprühsubstanz durch Komprimierung des Behältnisses ausgetrieben wird. Diese Lösung empfiehlt sich vor allem bei Substanzen, in denen sich Wasserstoff leicht löst und so in verstärktem Maße mit ausgetrieben würde.

Flüssigkeiten auf Wasserbasis beinhalten demgegenüber den Vorteil, daß die Löslichkeit des Wasserstoffs in ihnen minimal ist und bei etwa 2 Vol.% liegt. Im Gegensatz zu den bisherigen Treibgasen besteht somit bei derartigen Sprühsubstanzen der Vorteil, daß nur außerordentlich geringe Wasserstoffmengen ausgetrieben werden. Diese Mengen liegen auch unterhalb der Zündgrenze des Wasserstoffs, so daß dieser im Sprühstrahl nicht entflammt werden kann.

Bei der Lagerung größerer Mengen erfindungsgemäßer benutz­ ter oder unbenutzter Vorrichtungen, kann es vorteilhaft sein, aus Sicherheitsgründen die gesamten Behälter mit einem Katalysatormaterial in Form eines Netzes oder einer Beschich­ tung zu ummanteln, so daß der z. B. an Schwachstellen (Naht­ stellen usw.) unbeabsichtigt austretende Wasserstoff mit in der Luft vorhandenem Sauerstoff rekombiniert. So kann auch bei vermehrtem Wasserstoffaustritt eine Zündgefährdung vermieden werden. Es ist auch möglich, nach der Entleerung der Druckbehälter eine gezielte Wasserstoffabgabe mit der katalytischen Rekombination über eine kontrollierte Leckstelle, die sich erst nach Entleerung im Behälter oder im Ventil bildet oder erzeugt wird, auszulösen. So kann der verbleibende Wasserstoff durch kontrollierte Diffusion aus dem Hydridbehälter und dem Druckbehälter selbständig katalytisch mit Luftsauerstoff zu Wasser rekombinieren.

Bei Substanzen, in denen Wasserstoff in vermehrtem Maß gelöst und damit mit ausgetrieben wird, kann auch das Sprühsystem so ausgelegt werden, daß der Wasserstoff vor dem Austritt bereits rekombiniert. Dies läßt sich erzielen, wenn zwischen dem Sprühventil und der Austrittsdüse durch eine zusätzliche Öffnung beim Sprühen infolge des sogenannten Wasserstrahl­ pumpeneffekts Luft und damit Luftsauerstoff angesaugt wird. Durch ein Katalysatornetz oder eine entsprechende Beschicht­ ung in diesem Raum zwischen Sprühventil und -düse wird dann wiederum selbsttätig eine katalytische Rekombination ausgelöst, so daß ein Entweichen des Wasserstoffs verhindert ist.

Wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung extremen Temperatur­ schwankungen ausgesetzt ist und infolge hoher Temperaturen im Hydridbehälter sehr hohe Drücke auftreten, kann zusätz­ lich zum Ventil zum Druckbehälter hin ein Entlastungsventil im Hydridbehälter zur selbstregelnden Druckbegrenzung vor­ gesehen werden. Auch hierbei empfiehlt sich die Integration eines Katalysators in diesem Ventil. So ist es möglich, auch unter extremen Bedingungen, das Gefährdungspotential, das durch die Zündfähigkeit des Wasserstoffs gegeben ist, zu kom­ pensieren. Die Möglichkeit über eine Druckregelung auch eine Explosionsgefahr auszuschließen, ist im Gegensatz zu den bis­ herigen Treibgasflaschen deshalb gegeben, weil das Treibmittel aus einem Speicher freigegeben wird, der vom eigentlichen Druckbehälter abgekapselt werden kann.

Ein zusätzlicher Vorteil im Hinblick auf den Umweltschutz be­ steht in der Wiederaufladbarkeit der Hydridspeicher. So kann insbesondere beim Anschluß des Hydridspeichers in Form einer unabhängigen Einheit an den Druckbehälter das Hydridmaterial problemlos wieder mit Wasserstoff beladen werden und so die Einheit wiederverwendet werden. Jedoch ist eine erneute Be­ ladung auch bei in den Druckbehälter integriertem Hydridspei­ cher über die Öffnung bzw. Ventilöffnung des Hydridbehälters möglich, bevor die Sprühflasche bzw. der Druckbehälter erneut mit der zu zerstäubenden Substanz gefüllt wird.

Als Druckbehälter und Sprühsysteme können erfindungsgemäß die bereits bekannten Behälterformen, Sprühventile, Düsen und anderen Entnahme- und Betätigungsvorrichtungen verwendet werden. Der Hydridbehälter, der im Vergleich zu bekannten Behältern von Wasserstoffspeichern für Kraftfahrzeuge mit einigen cm³ sehr klein ist, ist als Druckgefäß bereits mit wenigen mm Wandstärke mit hohem Sicherheitsabstand ausführbar, ohne daß die gesamte Vorrichtung unhandlich wird. Wird das Hydridmaterial direkt mit der Sprühsubstanz im Druckbehälter gemischt, so empfiehlt sich wie im Fall der vorhandenen Sprühflaschen die Angabe einer höchstzulässigen Umgebungstemperatur.

Metallhydride, die fein verteilt in Pulverform oder in Form einer Matrix aus mehreren Metallen vorliegen und sich für die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen, sind bereits im Handel erhältlich und ihre Eigenschaften sind genau bekannt. Daneben ist eine Fülle noch nicht als Wasserstoffspeicher angebotener und erprobter Hydride als Wasserstofftreibgasspender denkbar.

Selbst wenn ein gesicherter Hydridspeicherbehälter verwendet wird, sind die Mehrkosten auch im Hinblick auf die Wiederver­ wertbarkeit gering. Bei Vermischung der Hydride mit der Sprühsubstanz entstehen praktisch im Vergleich zum direkten Einsatz von Treibmitteln ohne Speichermedium keine Mehrkosten.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels, das in der Figur dargestellt ist, näher erläutert.

Im Ausführungsbeispiel ist eine in einen Druckbehälter in Form einer Sprühdose 1 integrierte Vorrichtung zum Austreiben einer zerstäubbaren Substanz gezeigt. Die Sprühsubstanz 2, eine Flüssigkeit oder auch z. B. ein pulverisiertes Material, wird mit Hilfe eines Steigrohrs 3, das sich durch die fla­ schenförmige Sprühdose bis etwas oberhalb deren Boden er­ streckt, entnommen. Oberhalb des Sprühsubstanzpegels befindet sich ein Gasraum 4, in dem Wasserstoff als Treibgas unter einem Druck von einigen bar, d.h. einigen 10⁵ Pascal, vorliegt. Der Druck entspricht dem Wasserstoffpartialdruck des Hydridmaterialspeichers 6 bei der vorliegenden Umgebungs­ temperatur, mit dem der Gasraum 4 über ein Wasserstoffauslaß­ ventil 5 verbunden ist. Das Ventil ist so ausgelegt, daß ein Eindringen der Sprühsubstanz in den Hydridmaterialbehälter 7 verhindert wird, d. h., wird die Sprühdose stark verkippt oder umgedreht, so schließt sich das Ventil automatisch. Als Lösungen bieten sich an ein Sintermetall im Ventil zu ver­ wenden, das nur den Wasserstoff, jedoch nicht die Sprüh­ substanz durchläßt, oder eine einfache Verschlußkugel ein­ zusetzen. Das Ventil ist ansonsten nur dann geschlossen, wenn infolge eines starken Temperaturanstiegs der Wasserstoffdruck im Speicher 6 stark anwächst und einen höchstzulässigen Druck für die Sprühdose übersteigt. Der Hydridspeicher 6 befindet sich in Form eines pulverisierten Metallhydrids in einem Hydridbehälter 7, der den kurzen Hals der flaschenförmigen Dose 1 bildet. Das Steigrohr ist durch den Hydridbehälter 7 geführt. Eine nicht dargestellte Sprühöffnung (Düse) wird mittels eines bei 8 angedeuteten Sprühventils geöffnet. Zur Betätigung des Sprühventils kann z. B. wie bei den meisten Sprühsystemen ein einfacher Mechanismus, der mit einem Finger herabgedrückt wird, verwendet werden.

Der Hydridbehälter 7 ist vorzugsweise aus Metall einer Stärke von 2 bis 3 mm gefertigt und weist ein Fassungsvolumen von etwa 3 cm³ auf. Bei dieser Speichergröße ist im Hydrid­ speicher 6 soviel Wasserstoff gespeichert, daß auch bei geleerter Dose von einigen 100 cm³ Fassungsvermögen der Gleichgewichtspartialdruck bei der vorgesehenen Betriebs­ temperatur erreicht wird und damit ein ausreichender Sprüh­ druck vorliegt.

Beim Betrieb der Vorrichtung wird das Sprühventil 8 geöffnet. Infolge der resultierenden Druckentlastung im Gasraum 4 über das Steigrohr 3 wird fortgesetzt Wasserstoff aus dem Hydrid­ behälter freigesetzt und treibt die Sprühsubstanz kontinuier­ lich aus. Erst beim Schließen des Sprühventils 8 wird bei Er­ reichen des Gleichgewichtspartialdrucks kein Wasserstoff mehr entweichen. Bei starkem Temperaturanstieg der Umgebung schließt sich das Ventil 5 bei Erreichen eines vorgegebenen Druckwerts automatisch, so daß die Dose 1 keinem erhöhten Wasserstoffdruck infolge eines erhöhten Partialdrucks aus­ gesetzt wird. Bedarfsweise kann noch ein zusätzliches Druck­ entlastungsventil im Hydridbehälter 7 vorgesehen werden, um auch extremste Temperaturen zu berücksichtigen.

Darüber hinaus können die Dose 1 und der Hydridbehälter 7 mit einem Katalysatormaterial oder -netz überzogen bzw. ummantelt sein, um eine katalytische Rekombination von unbeabsichtigt austretendem Wasserstoff mit Luftsauerstoff zu Wasser zu bewirken.

Das Ausführungsbeispiel stellt nicht die einfachste Lösung dar, die ohne Hydridbehälter und Wasserstoffauslaßventil aus­ kommt und das Hydridwasserstoffspeichermaterial mit der Sprühsubstanz gemischt in der Sprühdose enthält. Diese Lösung erfordert gegenüber den bekannten Sprühvorrichtungen keinerlei Veränderung am Druckbehälter.

Auch bei Verwendung eines Hydridspeichers sind ein separa­ ter Behälter und das Wasserstoffauslaßventil nicht unbedingt erforderlich, erhöhen jedoch die Sicherheit der Vorrichtung.

Da der Hydridspeicherbehälter nur relativ klein ist, kann er ebensogut in Form einer selbständigen Einheit an die Sprühdose angeschlossen werden. Auch hier empfiehlt sich ein Wasserstoffauslaßventil.

Zwischen Sprühventil und Sprühöffnung kann zusätzlich eine Ansaugöffnung für Luft ausgebildet werden, die beim Sprühen angesaugt wird und deren Luftsauerstoff bei Vorhandensein einer Beschichtung mit Katalysatormaterial die Rekombina­ tion des Wasserstoffs zu Wasser vor dessen Austritt bewirkt.

Claims (10)

1. Vorrichtung zum Austreiben einer zerstäubbaren Substanz durch die freigegebene Öffnung eines Druckbehälters für diese Substanz mit Hilfe eines Treibmittels, das im Druckbehälter einen gegenüber der Behälterumgebung erhöhten Druck erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein Hydridmaterial (6) umfaßt, in dem Wasserstoff gespeichert ist, der vorzugsweise bei der Umgebungstemperatur des Behälters (1) und/oder durch Zuführung weiterer Wärmeenergie aus dem Hydridmaterial als das Treibmittel freigesetzt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydridmaterial (6) der Vorrichtung in Form eines Hydridspeichers vorliegt, der aus einem in den Druckbehälter (1) integrierten oder außerhalb des Druck­ behälters angeordneten Hydridbehälter (7) besteht, in dem das Hydridmaterial (6) aufgenommen ist und der druckmäßig mit dem Druckbehälterinneren (4) gekoppelt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydridmaterial der zu zerstäubenden Substanz beigemischt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Hydridmaterial ein Metallhydrid ist, das im Hydridbehälter (7) in Pulverform gespeichert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydridbehälter (7) und der Druckbehälter (1) über ein Ventil (5) miteinander verbunden sind, das sich bei einer Druckerhöhung im Hydridbehälter infolge einer starken Erwärmung schließt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der freigesetzte Wasserstoff in den Druckbehälter strömt, in dem ein komprimierbares Behältnis mit der darin aufgenommenen Substanz angeordnet ist, auf welches der durch den Wasserstoff erzeugte, erhöhte Druck komprimierend wirkt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydridbehälter und der Druckbehälter mit einem Katalysatormaterial zur katalytischen Rekombination von austretendem Wasserstoff mit Luftsauerstoff zu Wasser ummantelt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydridbehälter vorzugsweise durch eine Öffnung, über die er mit dem Druckbehälterinneren in Verbindung steht, nach Leerung des Druckbehälters wieder mit Wasserstoff beladen wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem an sich bekannten Sprühventil (8) und der Austrittsöffnung für die Sprühsubstanz eine Ansaugöffnung für Luft und ein Katalysatorma­ terial vorgesehen sind, wobei durch diese Ansaug­ öffnung Luft angesaugt wird, mit deren Sauerstoff der ausgetriebene Wasserstoff vor Durchtritt durch die Austrittsöffnung katalytisch zu Wasser rekombiniert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (5) so ausgelegt ist, daß es beim Verkippen des Druckbehälters (1) ein Einströmen der zerstäubbaren Substanz in den Hydridbehälter (7) verhindert.